以前は、より高い無線データ伝送速度は、より多くのビット データを同じスペクトル スライスにカプセル化する、ますます複雑になる変調方式によって実現されていました。このソリューションは現在、実用化の限界に達しているため、将来的には、商用 5G スループット アプリケーション向けに設計される場合でも、大容量の軍事リンク向けに設計される場合でも、より高密度な変調ではなく、より広い帯域幅に依存することになります。この技術変革により、設計者はミリ波 (mmWave) スペクトルに目を向けざるを得なくなりました。ミリ波 (mmWave) スペクトルは、豊富なスペクトル リソースを通じてさまざまな新機能を実現できますが、まったく異なる一連の設計課題ももたらします。
5G 通信システムは、最初に防衛企業によって行われた長年の研究作業の恩恵を受けています。たとえば、国防分野から生まれたフェーズド アレイ アンテナ技術は、ビーム スキャニングと複数ターゲットの同期追跡を実現でき、現在、複数のデータ ストリームを複数のユーザーに同時に送信する 5G アプリケーションで広く採用されています。商用システムは、マルチギガビット リンクに必要な帯域幅を確保するために、28 GHz や 39 GHz などの周波数帯域で動作することが増えています。
アナログ・デバイセズ社およびその他の企業は、防衛産業アプリケーションで蓄積したミリ波の専門知識を活用して、防衛性能要件と商業インフラ製造ニーズの両方を満たす標準コンポーネントを提供しています。高度な高周波IC表面実装技術が5G技術の大規模展開に貢献します。
5G と防衛産業はどちらも高度な高周波ハードウェアに依存しています。 5G ネットワークはスループットを最大化するために特定の狭いスペクトル スライスに最適化されていますが、電子戦 (EW) などの軍事用途ではスペクトル センシング機能を確保するためにより広い動作帯域幅が必要です。これらの違いにもかかわらず、5G 分野における広い変調帯域幅の開発により、製造レベルでの共生的な利点が促進されました。
これらの分野でのミリ波技術の統合により、商業展開に必要な製造規模が達成されました。さらに、この融合により、軍事用途製品を製造するための高価な少量バッチ「チップとワイヤ」組み立てプロセスに依存する関連コストが大幅に削減されます。
このスケールは、高度に統合された無線周波 IC (RFID)、フェーズド アレイ モジュール、および使いやすいテスト ソリューションに依存しています。現在、これらのソリューションは、かつては大手防衛請負業者のような予算や専門能力がなかった小規模な設計会社に提供されることが増えています。
この相互促進により、共有テスト インフラストラクチャも形成されます。以前は、28 GHz および 39 GHz でフェーズド アレイ アンテナをテストするには、高価な大型の電波暗室が必要でした。 5G の普及により、手頃な価格の既製 OTA テスト ソリューションの開発が促進され、防衛企業はこれを利用して、多額の財政投資を必要とせずに製品開発の課題を迅速に解決できます。これらの検証済みで直接展開可能なビルディング ブロックの人気により、あらゆる規模の設計会社が管理しやすいサブシステムとしてミリ波を使用できるようになり、有望なミリ波アプリケーションを回路図から展開可能なハードウェアに変換することが容易になります。
スペクトルの革新
何十年にもわたって、ワイヤレス技術の革新では、より多くの情報をそれぞれの異なる信号状態 (シンボル) にエンコードするか、情報の送信に使用されるスペクトル空間を拡張するという 2 つの根本的に異なる方法が採用されてきました。
より単純な変調方式では堅牢性と信号の完全性が優先されますが、より複雑な方式ではシンボルあたりの送信ビット数が増加することでデータ スループットが向上します。基本的な変調方法では、少量の情報 (単一ビットなど) を使用して各シンボルを表します。設計者は、QAM などのより複雑な変調方式を使用して各シンボルのより多くの情報をエンコードしたり、より高い周波数のミリ波帯でより広いスペクトル チャネルにアクセスしたりすることで、システムのパフォーマンスを向上させることができます。
変調はデータをキャリアにパッケージ化する方法を決定し、パワーアンプ (PA) はデータ ビットが意図した宛先に確実に到達することを保証します。商用 5G 分野では、パワーアンプは、高スループットのフェーズド アレイをサポートするために、指定された周波数帯域内の効率と直線性を優先します。ただし、軍事システムでは通常、レーダーの鮮明さ、衛星通信能力、使いやすさを向上させるために、より広い周波数範囲とより高い出力が追求されます。
変調技術が進歩したとしても、特定の搬送周波数 (FC) 帯域を介して送信されるデータ量には依然として根本的な制限があります。重要な原則の 1 つは、データ スループットがチャネル幅 (変調信号 (FBW) の帯域幅) に直接関係しているということです。より高いデータ伝送速度を実現するには、混雑した 1 車線の高速道路から 10 車線の高速道路に切り替えるのと同じように、より広いキャリア周波数チャネルが必要です (図 1)。